Ứng dụng máy tính công nghiệp để xây dựng hệ mô phỏng động cơ lai máy phát trong trạm phát điện tàu thủy

LỜI CẢM ƠN Q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa hội nhập kinh tế giới đưa nước ta phát triển nhiều mặt, đặc biệt ngành giao thơng vận tải có đóng góp quan trọng cho kinh tế Cùng với đường bộ, đường sắt đường không, vận tải đường thủy có bước phát triển lớn tiếp nhận cơng nghệ đóng tàu đại, mở nhiều cảng nước sâu để đón tàu hàng chục vạn vào cảng Đặc biệt việc đào tạo thuyền viên, kỹ sư giỏi có khả làm chủ tàu đại có bước dài vững Việc áp dụng cơng nghệ tiên tiến, cơng nghệ có tính ứng dụng cao làm tăng hiệu khải thác tàu đồng thời làm giảm thiểu hạn chế Trải qua năm học tập rèn luyện trường, em bước vào kì học cuối làm đồ án tốt nghiệp Trong thời gian tốt nghiệp, em học làm thầy khoa thiết bị mơ bảng điện mô hệ thống cung cấp điện tàu cảnh sát biển TT400 Sau đó, em thầy tin tưởng giao cho đề tài “Ứng dụng máy tính công nghiệp để xây dựng hệ mô động lai máy phát trạm phát điện tàu thủy” Nhờ tận tình dìu dắt, bảo thầy giáo hướng dẫn TS.Đào Minh Quân trợ giúp thầy cô khoa Điện – Điện tử với chung sức bạn sinh viên, em hồn thành đồ án tốt nghiệp Tuy nhiên kiến thức chun mơn nhiều thiếu sót, kinh nghiệm nên đề tài khơng tránh khỏi thiết sót Nên em mong nhận góp ý thầy, Khoa để đề tài em hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn ! LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan nội dung số liệu đề tài em tự thu thập nghiên cứu, khơng có chép lại tác giả khác Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực hiện: Trần Văn Níp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU Chương THIẾT KẾ VẬT LÝ MƠ HÌNH BẢNG ĐIỆN CHÍNH MƠ PHỎNG 1.1 Giới thiệu hệ thống mô bảng điện tàu thủy 1.2 Thiết kế vật lý mơ hình bảng điện mơ 10 1.2.1 Đề xuất mơ hình 10 1.2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 11 Chương 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỔ HỢP MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT 12 2.1 Tìm hiểu mơ hình tốn máy phát điều chỉnh điện áp AVR 12 2.1.1 Tìm hiểu mơ hình tốn máy phát 12 2.1.2 Mơ hình tốn điều chỉnh điện áp 22 2.2 Tìm hiểu mơ hình tốn động 25 2.3 Nghiên cứu máy phát hòa đồng máy phát 27 2.3.1 Tìm hiểu lệnh PWM PLC delta 27 2.3.2 Tìm hiểu Đồng kế 27 2.4 Phương pháp mô công tác song song 29 2.4.1 Phân bố tải vô công(Q) cho máy phát đồng công tác song song 29 2.4.2 Phân bố tải tác dụng(P) cho máy phát đồng công tác song song với 30 Chương 3: NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT CHO HỆ THỐNG TRẠM PHÁT MÔ PHỎNG 32 3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển 32 3.1.1 Thuật toán điều khiển khởi động hòa động tay 32 3.1.2 Thuật toán chuyển tải dừng máy tay 33 3.1.3 Thuật toán tự động khởi động tải nặng 35 3.1.4 Thuật toán tự động cắt máy phát tải nhẹ 36 3.1.5 Thuật toán cắt ưu tiên 38 3.2 Xây dựng giao diện giám sát 39 3.2.1 Giới thiệu hình cảm ứng HMI 39 3.2.2 Giới thiệu máy tính giáo viên 42 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 KẾT LUẬN 47 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 sơ đồ dây hệ thống mô bảng điện Hình 1.2 hình ảnh bảng điện Hình 1.3 mơ hình đề xuất 10 Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý 11 Hình 2.1 Máy phát đồng 12 Hình 2.2 Mạch từ hai cuộn dây 14 Hình 2.3 Góc quay rotor  15 Hình 2.4 Sự thay đổi Latheo góc quay rotor 16 Hình 2.5 Sự thay đổi La, Lb, Lctheo góc quay rotor 16 Hình 2.6 Mối quan hệ Mabtheo góc quay  17 Hình 2.7 Sự thay đổi hệ số hỗ cảm theo 17 Hình 2.8 Các hệ trục (a, b, c) (d, q) 20 Hình 2.9 Mối quan hệ hai hệ trục 20 Hình 2.10 Mối quan hệ đại lượng từ thơng hai hệ trục 21 Hình 2.11 sai lệnh ∆e 25 Hình 2.12 Mơ hình động chiều 26 Hình 2.13 Sơ đồ đấu dây sơ đồ cấu tạo đồng kế 28 Hình 2.14 Đặc tính ngồi máy phát 29 Hình 2.15 Phân bố tải tác dụng cho máy phát đồng cơng tác song song 30 Hình 2.16 Sơ đồ nguyên lý, tương đươngvà vectơ máy phát nhận tải 30 Hình 2.17 Đặc tính cơng suất máy phát cực ẩn 31 Hình 3.1 Thuật tốn điều khiển khởi động hòa động tay 32 Hình 3.2 thuật tốn chuyển tải dừng máy tay 34 Hình 3.3 Thuật tốn tự động khởi động tải nặng 35 Hình 3.4 Thuật tốn tự động khởi động tải nặng 36 Hình 3.5 Thuật toán tự động khởi động tải nhẹ 38 Hình 3.6 Thuật tốn cắt ưu tiên 39 Hình 3.7 Giao diện hình Menu 40 Hình 3.8 Giao diện hình giám sát máy phát 40 Hình 3.9 Giao diện hình giám vẽ đồ thị điện áp máy phát theo thời gian 41 Hình 3.10 Giao diện hình giám sát lỗi 42 Hình 3.11 Giao diện hình chủ máy tính giáo viên 43 Hình 3.12 Giao diện hình giám sát máy phát số 43 Hình 3.13 Giao diện hình tạo tình giả định Diesel - Máy phát 44 Hình 3.14 Giao diện hình tạo tín hiệu tải cho số phụ tải tạo tín hiệu điện trở cách điện thấp 44 MỞ ĐẦU 1.Ý nghĩa mơ hình: Đối với sinh viên ngồi việc học lí thuyết lớp chưa đủ mà quan trọng việc khai thác, vận hành trạm phát điện công tác thực tế tàu Cụ thể qua mơ hình này, sinh viên làm quen với tình giả định giống với thực tế để xử lí nhanh chóng, hiệu đạt u cầu đề nhiệm vụ, công việc công tác tàu Điều giúp kỹ sư trẻ sau trường tích lũy học, kinh nghiệm quý báu khai thác, vận hành tốt thiết bị thực tế mà khơng nhiều thời gian làm quen, tìm hiểu nghiên cứu Hiện trường đại học cao đẳng nước ta có thiết bị phục vụ cho thực hành trạm phát điện tàu thủy Tuy nhiên, trang thiết bị chưa đầy đủ với thực hành chưa thực bám sát với thực tế Thiết bị mô bảng điện mơ hệ thống cung cấp điện tàu Cảnh sát biển TT400 đời dựa yếu cầu cấp thiết nói nhằm phục vụ việc giảng dạy, học tập Trung tâm huấn luyện Cảnh sát biển Vậy việc xây dựng thực hành thiết bị mô quan trọng, cần thiết có ý nghĩa khoa học công tác đào tạo sĩ quan điện 2.Đối tượng phục vụ: Giảng viên, sinh viên, kỹ sư học tập, nghiên cứu trường đại học, cao đẳng trung tâm huấn luyện thuyền viên mà cụ thể Trung tâm huấn luyện Cảnh sát biển 3.Nội dung nghiên cứu: Sơ lược thiết bị mơ bảng điện Mơ hình coi trang bị tốt để học viên học tập trực quan phần tử bảng điện Qua sửa chữa, khắc phục cố hay lỗi nhỏ vận hành Qua mơ hình này, học viên thực hành tập, vận dụng lý thuyết học để nắm vững chuyên môn tay nghề Chương 1.THIẾT KẾ VẬT LÝ MƠ HÌNH BẢNG ĐIỆN CHÍNH MƠ PHỎNG 1.1 Giới thiệu hệ thống mơ bảng điện tàu thủy Hệ thống xây dựng bao gồm máy phát điện, máy phát (Máy phát số 3) sử dụng tàu đỗ bến trường hợp cố xảy với máy phát số vầ máy phát số Máy phát mô lai động Diesel Tải hệ thống mô thể MCCB cấp cho hệthống phụ tải đặt bên Panel Hình 1.1 sơ đồ dây hệ thống mơ bảng điện Trên bảng điện hệ thống mơ có ba bảng điều khiển máy phát, bảng hòa đồng bảng điện cấp nguồn 220V Hình 1.2 hình ảnh bảng điện Trên bảng điện điều khiển máy phát (Panel 1, Panel 3, Panel 4) có phần tử sau: - Hệ thống đồng hồ đo công suất, điện áp, dòng điện tần số - Hệ thống đèn báo (đèn báo chế độ điều khiển, đèn báo lỗi, đèn báo trạng thái ACB…) - Hệ thống nút ấn (nút ấn chọn chế độ tự động, bán tự động, nút ấn đóng, mở ACB…) - Hệ thống công tắc cam (công tắc chọn chế độ điều khiển, công tắc đèn chiếu sáng tủ điện, công tắc chuyển pha đo điện áp) - Màn hình cảm ứng HMI điều khiển giám sát hệ thống - Hệ thống MCCB cấp nguồn cho phụ tải Panel số Panel hòa đồng máy phát, panel có số phần tử sau: - Đồng hồ đo điện trở cách điện, đồng hồ đo dòng điện - Hệ thống đèn tắt (gồm có đèn) - Đồng kế - Hệ thống công tắc cam điều khiển (cơng tắc chọn máy phát hòa đồng bộ, cơng tắc chuyển mạch đo dòng điện, cơng tắc bật - tắt đèn chiếu sáng bảng điện) - Hệ thống MCCB cấp nguồn cho phụ tải Panel số Panel cấp nguồn 220V, panel bao gồm phần tử sau: - Hệ thống đèn báo (đèn báo nguồn 220V, đèn báo chọn biến áp 1, đèn báo chọn biến áp 2…) - Đồng hồ đo điện áp, dòng điện, đồng hồ đo điện trở cách điện - Hệ thống công tắc điều khiển - Hệ thống MCCB cấp nguồn cho phụ tải 1.2 Thiết kế vật lý mơ hình bảng điện mơ 1.2.1 Đề xuất mơ hình : Tổ hợp động diesel lai máy phát; : Công tắc điện; : Bộ điều khiển gồm: Thiết bị vào ( nút ấn, công tắc,ACB), Thiết bị ( Đèn, đồng hồ) : Màn hình cảm ứng HMI Hình 1.3 mơ hình đề xuất 10 3.1.2 Thuật toán chuyển tải dừng máy tay Khi ta muốn khởi động máy phát tay ta phải thực hiên theo quy trình sau nhà sản xuất đề Khi ta khới động thành cơng máy phát, muốn hòa đồng ta phải quan sát kỹ xem đủ điều kiện hòa đồng chưa điện áp, tần số hệ thống đèn tắt đèn quay, đồng kế để thực lệnh đóng mở Aptomat máy phát muốn hòa lên Nếu máy phát hoạt động chế độ tay máy phát công tác song song với ta muốn dừng máy ta phải chuyển tải máy phát sang máy phát khác trước ta mở áp tô mát dừng máy tay 33 START GEN RUN YL ACB CLOSE GL MODE SELECT SW [MANUAL] POWER SUPPLY BY PARA RUN AND LOAD SHIFTING & FREQ CONTROL NO ACB CONTROL SW [OPEN] AND FREQ CONTROL (LOAD SHARING) ACB OPEN GL ACB CLOSE RL ACB OPEN POWER SUPPLY BY SINGLE RUN AND END ENG STOP SIGNAL AND ENG STOP END Hình 3.2 thuật tốn chuyển tải dừng máy tay 34 ENG STOP PB [ON] 3.1.3 Thuật toán tự động khởi động tải nặng Khi hệ thống hoạt động chế độ tự động (AUTO) mà hoạt động bị tải nặng có máy phát bị cố, khii điện tồn tàu có tín hiệu u cầu khởi động gửi đến PMS mà bị thiếu công suất START POWER SUPPLY START INTERLOCK NORMAL MODE SELECT SW DC24V POWER MANUAL AUTO READY TO START HEAVY LOAD DETECT NO NO OVER CURRENT DETECT YES DC24V POWER RL ACB OPEN AND YL YES AND YES YL STAND BY CONDITION NORMAL 10 SEC PREF TRIP LCD MANUAL MODE SELECT SW NO INTERRUPTION AUTO OR LCD 1ST STAND-BY AND ENGINE OF STAND-BY GEN START SIGNAL READY TO START YL 1ST STAND-BY LCD G/E START within delay GEN RUN NO INTERRUPTION OR YES RL START FAIL YL ABNORMAL RESET GL NO VOLT BUILD-UP (3SEC) NO YES 20 SEC YL ABNORMAL RESET YES Hình 3.3 Thuật tốn tự động khởi động tải nặng Trong trường hợp PMS tính tốn tự động gửi tín hiệu khởi động máy phát chế độ Stand-by, điều khiển tần số phát lệnh đóng ACB… Tất q trình diễn hoàn toàn tự động 35 AUTO SYNCHRO START LCD OR AUTO SYNCHRO NO ASD ABNOR YES SEC NO SYNCHRO DETECT 60 SEC YES YES NO AND YES SYNCHRO FAIL ACB CLOSE SIGNAL LCD YL NO ACB CLOSE ACB OPEN RL ACB CLOSE GL NO NO ACB CLOSE SIGNAL TIMES OR ABNORMAL RESET YES OR YES LCD ACB NON CLOSE YL ABNORMAL RESET OR POWER CONTROL SWITCH MANUAL AUTO SYNCHRO STOP AUTO LOAD SHARING & FREQ CONTROL LCD AUTO SYNCHRO LOAD SHARING & FREQ CONTROL POWER SUPPLY BY PARA RUN END Hình 3.4 Thuật tốn tự động khởi động tải nặng 3.1.4 Thuật toán tự động cắt máy phát tải nhẹ Trong trường hợp tải nhẹ chức tự động hoạt động cắt tải Nếu xảy trường hợp mà máy phát công tác song song mà bị nhẹ tải Khi làm việc chế độ tự động (AUTO) PMS điều khiển sang tải 36 START GEN RUN WL ACB CLOSE RL POWER SUPPLY POWER CONTROL SWITCH MANUAL INTERRUPTION AUTO MODE SELECT SW MANUAL AUTO PARA RUN NO INTERRUPTION YES LIGHT LOAD AUTO STOP CANCEL SW [ON] NO YES YES NO 30 SEC YES AUTO LOAD SHIFT START AUTO LOAD SHIFT LCD YES HIGHT POWER DETECT NO AUTO LOAD SHIFT STOP AUTO LOAD SHIFT NO LOAD = 5% YES LCD ACB OPEN SIGNAL LOAD SHARING & FREQ CONTROL ACB OPEN END 37 NO GL ACB CLOSE RL ACB OPEN AUTO LOAD SHIFT STOP AUTO LOAD SHIFT ENG IDLE RUNNING LCD LCD FREQ CONTROL COOL DOWN 60 SEC POWER SUPPLY BY SINGLE RUN NO YES AND ENG STOP PB [ON] OR END ENG STOP SIGNAL LCD COOL DOWN GL GEN RUN ENG STOP END Hình 3.5 Thuật toán tự động khởi động tải nhẹ 3.1.5 Thuật toán cắt ưu tiên Trong trường hợp máy phát bị q tải lưới khơng máy phát trạng thái Stand -by sau khoảng thời gian trễ đặt trước chức nawgn hoạt động PMS tự động cắt tải theo mức độ ưu tiên khỏi lưới máy phát khơng tình trạng q tải cách gửi tín hiệu cắt đến cuộn Shunt-trip MCCB tương ứng 38 START POWER SUPPLY BY SIGNAL RUN GEN ACB OVER CURRENT (10S) PREF TRIP LCD PREF TRIP YL ABNORMAL RESET START MODE SELECT SW [MANUAL] POWER SUPPLY BY PARA RUN OR ONE GEN ENG ABNORMAL STOP ONE ACB TRIP YL LCD ACB TRIP ABNORMAL RESET ACB ABNORMAL TRIP OR REMAIN GEN POWER = 100% NO INTERRUPTION YES PREF TRIP LCD PREF TRIP YL ABNORMAL RESET Hình 3.6 Thuật tốn cắt ưu tiên 3.2 Xây dựng giao diện giám sát 3.2.1 Giới thiệu hình cảm ứng HMI 39 ONE ACB OPEN ENG STOP PB [ON] Hình 3.7 Giao diện hình Menu Màn hình hiển thị LCD touch panel có bảng điều khiển máy phát Tác dụng hình LCD touch panel hiển thị lệnh vào Muốn sử dụng ta cần ấn nhẹ vào nút hình cảm ứng Giao diện Menu bao gồm nút ảo đường link đến giao diện hình khác hình giám sát máy phát, hình giám sát lỗi, biểu đồ cơng suất, dòng điện, điện áp… Hình 3.8 Giao diện hình giám sát máy phát 40 Trên góc trái hình hiển thị ngày Thứ hai hiển thị công suất tiêu thụ lưới (KW) điện áp lưới (V) tần số lưới (Hz) Thứ ba chọn máy chủ hoạt động máy máy Bên phải hình đèn báo chế độ hoạt động tự động hay tay, chế đọ điều khiển bán tự động hay tự động Đèn báo diesel khởi động hay dừng, tải nhẹ hay tải nặng… Hình 3.9 Giao diện hình giám vẽ đồ thị điện áp máy phát theo thời gian Nhìn hình ta thấy đồ thị có trục hồnh trục thời gian Còn trục tung trục điện áp, hoạt động có thay đổi hay dao động hiển thị hình để quan sát Giống dòng điện tần số Trục tung dòng diện trục hoành tần số Mỗi thay đổi đề hiển thị hình 41 Hình 3.10 Giao diện hình giám sát lỗi Trong giao diện hình trên, thông số cảnh báo báo động thị đèn báo, có lỗi xảy ra, đèn báo tương ứng sáng để báo cho người vận hành biết Báo tải máy phát, điện áp cao, tần số cao, điện áp thấp, tần số thấy, cơng suất ngược, ACB khơng đóng được… 3.2.2 Giới thiệu máy tính giáo viên Máy tính giáo viên hình cảm ứng HMI Delta, thiết kế với mục đích giúp giáo viên giám sát thơng số từ bảng điện chính, tạo tình báo động, bảo vệ, tải… giả định nhằm giúp học viên làm quen với tất tình báo động bảo vệ xảy thực tế, giúp cho học viên hình thành phản xạ, kỹ để phát hiện, khắc phục, sửa chữa có cố xảy 42 Hình 3.11 Giao diện hình chủ máy tính giáo viên Trên góc trái hình hiển thị ngày Tiếp theo Menu chọn hình máy phát cần quan sát tạo tình giả định cho diesel Giả sử ta chọn hình giám sát máy phát số Hình 3.12 Giao diện hình giám sát máy phát số 43 Hình 3.13 Giao diện hình tạo tình giả định Diesel - Máy phát Hình 3.14 Giao diện hình tạo tín hiệu q tải cho số phụ tải tạo tín hiệu điện trở cách điện thấp 44 Thử tính bảo vệ báo động máy phát số Thử tính báo động thấp áp, cao áp: Để thử tính báo động thấp áp cao áp ta cho chạy máy phát số 1, máy tính giáo viên ta ấn vào nút “Tín hiệu điện áp thấp” “Tín hiệu điện áp cao” có tín hiệu báo động còi đèn vang lên Để tắt còi ta ấn nút tắt còi reset hệ thống nút reset hình HMI giáo viên Ta dùng cách khác để thử báo động điện áp thấp khởi động máy phát, đóng ACB cơng tắc chọn chế độ máy để vị trí tay Khi ACB đóng, ấn nút dừng Diesel, sau khoảng thời gian 5s điện áp giảm xuống ACB bị cắt có tín hiệu báo động điện áp thấp Thử tính báo động tần số thấp, tần số cao Để thử tính báo động tần số cao, tần số thấp ta cho chạy máy phát số 1, máy tính giáo viên ta ấn vào nút “Tín hiệu tần số thấp” “Tín hiệu tần số cao” có tín hiệu báo động còi đèn Muốn tắt còi ta ấn nút tắt còi reset hệ thống nút reset hình HMI giáo viên Muốn thử cáctính khác tần số cao, điện áp thấp, công suất ngược… ta làm tương tự báo động điện áp thấp 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] GS TSKH Thân Ngọc Hoàn, TS Nguyễn Tiến Ban (2008) Trạm phát lưới điện tàu thuỷ, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà nội [2] Bùi Thanh Sơn(2000) Trạm phát điện tàu thuỷ, NXB Giao thông vận tải, Hà nội [3] PGS.TS Trần Anh Dũng, TS Đào Minh Qn(2015) Mơ hình hóa thiết bị điện 46 KẾT LUẬN Sau tháng làm tốt nghệp dẫn dắt tận tình, chu đáo thầy TS.Đào Minh Quân, thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử bạn sinh viên, với nỗ lực thân đến em hồn thành đồ án tốt nghiệp Bản đồ án em hoàn thành nội dung thời gian yêu cầu Do trình độ thời gian có hạn nên đề tài em nhiều thiếu sót Vậy em mong đón nhận dẫn giúp đỡ thầy cô giáo tồn thể bạn đồng nghiệp góp ý kiến để đồ án em hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình thầy giáo TS.Đào Minh Quân, thầy cô giáo khoa Điện-Điện tử bạn bè giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2016 Sinh viên thực hiện: Trần Văn Níp 47 ... học để nắm vững chuyên môn tay nghề Chương 1.THIẾT KẾ VẬT LÝ MÔ HÌNH BẢNG ĐIỆN CHÍNH MƠ PHỎNG 1.1 Giới thiệu hệ thống mơ bảng điện tàu thủy Hệ thống xây dựng bao gồm máy phát điện, máy phát (Máy. .. 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỔ HỢP MƠ PHỎNG ĐỘNG CƠ LAI MÁY PHÁT 2.1 Tìm hiểu mơ hình tốn máy phát điều chỉnh điện áp AVR 2.1.1 Tìm hiểu mơ hình tốn máy phát a Thành lập hệ phương trình máy phát đồng hệ. .. phát số 3) sử dụng tàu đỗ bến trường hợp cố xảy với máy phát số vầ máy phát số Máy phát mô lai động Diesel Tải hệ thống mô thể MCCB cấp cho hệthống phụ tải đặt bên Panel Hình 1.1 sơ đồ dây hệ